光电检测技术实验讲义

光电检测技术实验指导书电气工程学院目录实验一半导体激光器工作域值及输出功率特性的测量 (2)实验二半导体激光器输出光谱特性曲线的测量 (9)实验三光电探测原理及特性测试（综合性） (13)实验四* CCD输出特性及二值化处理实验 (22)实验五 PSD位移传感器特性实验 (28)实验六反射式光纤位移传感器原理及定标实验 (32)实验七光电报警系统设计（设计性） (38)实验一 半导体激光器工作域值及输出功率特性的测量一、实验目的测试半导体激光器工作域值，测量输出功率－电流（P-I ）特性曲线和输出功率的稳定性，从而对半导体激光器工作特性有个基本了解。

二、实验内容1、测试YSLD3125型半导体激光器工作域值。

2、测试YSLD3125型半导体激光器输出功率与电流（P-I ）特性曲线。

3、测试YSLD3125型半导体激光器注入电流为30mA 时输出功率的稳定性。

三、实验仪器1、YSLD3125型半导体激光器（带尾纤输出，FC 型接口） 1只2、ZY606型LD/ LED 电流源 1台3、光功率计 1台4、万用表 1只四、实验原理1、激光器一般知识激光器是使工作物质实现粒子数反转分布产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。

激光，其英文LASER 就是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation （受激辐射的光放大）的缩写。

激光的本质是相干辐射与工作物质的原子相互作用的结果。

尽管实际原子的能级是非常复杂的，但与产生激光直接相关的主要是两个能级，设E u 表示较高能级，E l 表示较低能级。

原子能在高低能级间越迁，在没有外界影响时，原子可自发的从高能级越迁到低能级，并伴随辐射一个频率为h E E l u /)(-=ν的光子，这过程称自发辐射。

若有能量为l u E E h -≥ν的光子作用于原子，会产生两个过程，一是原子吸收光子能量从低能级越迁到高能级，同时在低能级产生一个空穴，称为受激越迁或受激吸收，此激发光子消失；二是原子在激发光子的刺激下，从高能级越迁到低能级，并伴随辐射一个频率h E E l u /)(-=ν的光子，这过程称受激辐射。

受激辐射激发光子不消失，而产生新光子，光子增加，而且产生的新光子与激发光子具有相同的频率、相位和偏振态，并沿相同的方向传播，具有很好的相干性，这正是我们所需要的。

受激辐射和受激吸收总是同时存在的，如果受激吸收超过受激辐射，则光子数的减少多于增加，总的效果是入射光被衰减；反之，如果受激辐射超过受激吸收，则入射光被放大。

实现受激辐射超过受激吸收的关键是维持工作物质的原子粒子数反转分布。

所谓粒子数反转分布就是工作物质中处于高能级的原子多于处于低能级的原子。

所以原子的粒子数反转分布是产生激光的必要条件。

实现粒子数反转可以使受激辐射超过受激吸收，光在工作介质中得到放大，产生激光，但工作介质的增益都不足够大，若使光单次通过工作介质而要产生较强度的光，就需要很长的工作物质，实际上这是十分困难，甚至是不可能的。

于是就想到了用光学谐振腔进行光放大。

所谓光学谐振腔，实际上是在激光器两端，面对面地装两块反射镜，如下图所示：一块几乎全反射，一块为部分反射，激光可透过部分反射镜射出。

被反射回到工作介质的光，可在工作介质中多次往返，设往返次数为m ，则有效长度为：mL L eff 2= （m=1，2，3，4…）L 为工作介质的的实际长度。

由于谐振腔内工作介质存在吸收，反射镜存在透射和散射，而且只有沿轴线方向的光才被放大，因此光受到一定损耗，当增益和损耗相当时，在谐振腔内建立起稳定的激光振荡。

即一个激光器，m 有一个确定的值。

谐振腔的另一个作用是选模，光在谐振腔内反射时，反射波将和入射波发生干涉，为了能在腔内形成稳定的振荡，必须满足相干相长的条件，也就是沿腔的纵向（轴线方向）形成驻波的条件，这条件是：nqL 2λ= 或qnL2=λ 式中，λ为波长，n 是工作介质的折射率，q=1，2，3，4，…，为某一整数，为驻波波幅的个数，它表征了腔内纵向光场的分布，称为激光的纵模，q=1称单纵模激光器，q ≥2称多纵模激光器。

每个驻波的频率是不一样的，第q 个驻波的频率由：Lc qq 2=ν s m C /1038⨯=，为光速。

以上两式都说明，虽然由于导带和价带是由许多连续能级组成的有一定宽度的能带，两个能带中不同能级之间电子的跃迁会产生许多不同波长的光波，但只有符合激光振荡的相位条件的那些波长存在，不符合激光振荡的相位条件的那些波长的光将衰减掉，这些波长取决于激光器工作物质的纵向长度L 。

多纵模激光器输出q 个波长的光，但幅度不一样，幅度最大的称为主模，其余的称为边模。

2、半导体激光器的结构半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带，如下图（a ）所示，能量低的能带称为价带，能量高的能带称为导带，导带底的能量Eu 和价带顶的能量E l 之间的能量差gl u E E E =-称为禁带宽度或带隙，不同的半导体材料有不同的带隙。

本征半导体中导带和价带被电子和空穴占据的几率是相同的，N 型半导体导带被电子占据的几率大，P 型半导体价带被空穴占据的几率大。

如下图（b ）、（c ）所示。

半导体激光器的结构多种多样，基本结构是下图所示的双异质结平面条形结构。

这种结构由三层不同类型半导体材料构成，中间层通常为厚度为0.1～0.3μm 的窄带隙P 型半导体，称为有源层，作为工作介质，两侧分别为具有较宽带隙的N 型和P 型半导体，称为限制层。

具有不同带隙宽度的两种半导体单晶之间的结构称为异质结。

有源层与右侧的N 层之间形成的是P--N 异质结，而与左侧的P 层之间形成的是P--P 异质结，故这种结构又称N-P-P 双异质结构，简称DH 结构。

施加正向偏压后，就能使左侧的N 层向有源层注入电子，右侧的P 层向有源层注入空穴，但由于右侧的P 层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到P 层，同理，注入到有源层的空穴也不可能扩散到N 层。

这样，注入到有源层的电子和空穴被限制在0.1～0.3μm 的有源层内，形成了粒子数的反转分布。

前后两个晶体解理面作为反射镜构成谐振腔。

给半导体激光器施加正向偏压，即注入电流是维持有源层介质的原子永远保持粒子数的反转分布，自发辐射产生的光子作为激发光子诱发受激辐射，受激辐射产生的更多新光子作为新的激发光子诱发更强的受激辐射。

3、半导体激光器的主要特性 （1）输出光功率特性激光器光功率特性通常用输出光功率与激励电流I 的关系曲线，既P —I 曲线表示。

给半导体激光器注入电流，就是给激光器有源层半导体工作介质注入能量，对价带上的载流子（电子）进行激发，当注入电流较小时，导带和价带间载流子不能形成反转分布，这时从导带上跃迁到价带上的载流子主要以自发辐射为主，产生的是荧光，即非相干光。

当注入电流达到一定值时，导带和价带间载流子才能形成反转分布，产生受激辐射，激光器才有激光(即相干光)输出，这个一定值称为阈值电流。

阈值电流以后，随着注入电流的增大，导带和价带间粒子数差值增大，激光增益系数增大，输出功率增加，并与注入电流近似成线性关系，如下式所示。

()ehfI I P P D th f th η⋅-+=式中I f 为注入电流，S J h •⨯=-3410628.6为普朗克常数，λcf =为入射光频率，sm c /1038⨯=为光速，λ为入射光波长，e 为电子电量，ηD 为外微分量子效率，I th 为阈值电流，P th 为阈值功率。

图线表示如下：半导体激光器 LD 的P-I 特性曲线根据P-I 曲线可以求出激光器的阈值电流I th 和外微分量子效率ηD ：将P-I 曲线的线性部分作直线与横坐标相交，交点处的电流值即为激光器的阈值电流；曲线线性部分的斜率为ehfD η，由曲线求得斜率，可计算ηD 。

（2）温度特性激光器输出光功率是随温度而变化的，有两个原因：一是激光器阈值电流I th 随温度升高而增大，二是激光器外微分量子效率ηD 随温度升高而减小。

温度升高时，I th 增大，ηD 减小，输出光功率明显下降，达到一定温度时，激光器就不激射了。

当以直流电流驱动时，阈值电流I th 随温度的变化更加明显。

五、设备简介1、 ZY -YSLD3125型激光器我们所用ZY -YSLD3125型半导体激光器是具有多量子阱F-P 腔激光器LD ，内置背景光探测器PD ，这种激光器使用时具有下图所示四种型式：图中，LD 为激光器，PD 为背景光探测器。

PD-N side dwon 的管是探测器PD 的负（N ）与激光器LD 的负（N ）或正（P ）相连，PD-P side dwon 的管是探测器PD 的正负（P ）与激光器LD 的负（N ）或正（P ）相连，与激光器LD 的负（N ））相连的称为DVD 型管，与激光器LD 的正（P ）相连的称为POINT 型管。

所用ZY -YSLD3125型激光器为PD-N side dwon 的POINT 型管，单模光纤同轴封装，带尾纤FC 连接。

性能指标如下表所示参数符号测试条件最小值典型值最大值单位额定功率Pout Iop=Ith+20 0.2 － 1 mW 中心波长λCW 1290 1310 1330 nm光谱宽度ΔλCW － 2 5 nm阈值电流Ith CW －10 15 mA工作电流Iop CW －Ith+20 －mA探测器电流Im CW 100 －－μA探测器暗电流Id CW －－0.1 nA 表中CW表示连续。

管脚图如下2、ZY606型LD/ LED电流源本机为激光二极管（LD）专用测试设备，可广泛用于650nm、780nm、808nm、850nm、980nm、1310nm、1550nm等各种中小功率LD的电流测试及老化测试。

设备内部带APC(Automatic Power Control)电路及ACC(Automatic Current Control)电路，可以实现以下三种功能：1） LD电源2） Iop及Im电流测试3） LD恒功老化及恒流老化性能指标供给电流（Iop）max：150mA反馈测量电流(Im)max：2000uAIop的测量准确度：±0.5mAIop分辨率：0.1mAIm测量准确度：±5uAIm分辨率：1uA仪器的结构仪器的前面板如下图所示POWER 电源开关IOP 激光器工作电流显示Im 激光器探测电流显示PD正、PD负、LD正、LD负待测激光器插入座DVD、POINTER 待测激光器类型转换钮，按下测DVD型恒功、恒流恒功或恒流测量转换钮粗调、细调激光器工作电流调节钮操作说明1）本机只能对PD-N side down的LD进行测量，不能用来测量PD-P side down安装的激光器，否则会损坏激光器。